在消費類電子產品領域，工程師可利用激光雷達實現眾多功能，如面部識別和3D映射等。盡管激光雷達系統的應用非常廣泛而且截然不同，但是 “閃光激光雷達” 解決方案通常都適用于在使用固態(tài)光學元件的目標場景中生成可檢測的點陣列。憑借具有針對小型封裝結構但可獲取三維空間數據方面的優(yōu)勢，固態(tài)激光雷達系統在智能手機和筆記本電腦等消費類電子產品中日益普及。在這個系列的文章中，我們將探討如何使用OpticStudio對此類系統進行建模，包括從序列初始設計到集成機械外殼的整個流程。該文章為閃光激光雷達系統建模系列文章的上篇。
激光雷達系統在工業(yè)界中有著多種場景下的應用，對應于不同種類的激光雷達系統（比如用于掃描元件或確定視野的系統等），本示例將主要探索如何使用衍射光學元件來復制光源陣列在目標場景中的投影。成像透鏡系統隨后可觀察到投影的光源陣列，以獲取投射光線的飛行時間信息，進而生成投影點的深度信息。
在這篇文章中，我們將介紹用于閃光激光雷達系統發(fā)射和接收模塊的序列模式系統背景和特征。在后續(xù)的文章中，我們將介紹完整的系統建模和光機封裝。
此類激光雷達系統的工作原理主要依靠一組放置在光源陣列（如 VCSEL 陣列等）前方的準直光學元件，這些準直透鏡投射光源陣列的光線追跡至包含幾何實體或者動態(tài)捕捉的場景中。在準直透鏡后面放置的衍射光學元件將沿 X 方向、Y 方向和對角線方向創(chuàng)建該 VCSEL 陣列的多個投影（在本例中為 3x3 的網格）。
照明模塊將生成一個點陣列，將光線投影到目標區(qū)域，隨后成像系統將觀察到照亮的區(qū)域，以檢測投影陣列并獲取場景的深度信息。
設想一下，我們探索的激光雷達系統可用于追跡現實世界的幾何結構及其運動情況，以便疊加獲得在計算機中生成的圖像。此外，我們還可以將激光雷達用作 AR 頭戴設備模塊的一部分，其中用戶可以通過激光雷達模塊的觀察進行手勢識別并與 CGI 進行交互。
對于照明的區(qū)域，我們的目標區(qū)域是 1 米遠（略大于一臂長）之外的 480mm x 480mm（大約為 19 英寸 x 19 英寸）的區(qū)域。我們可以這樣想象，如果我們將該激光雷達系統瞄準一張桌子或書桌，并想要追跡其表面的幾何結構以及它上面的任何物品時，這樣的覆蓋區(qū)域十分合理。此外，我們還可以假設用戶將能夠與他們直接視線范圍內的虛擬元件進行交互。
首先，我們來定義照明模塊的需求。由于照明區(qū)域可看做光源陣列區(qū)域的投影，因此非常關鍵的一點是確保我們的準直光學元件與所使用的光源能夠相匹配。如果我們假設光源陣列的有效區(qū)域為 1.6mm x 1.6mm，那么我們可以確定透鏡所需的焦距為：
為了在 OpticStudio 中定義模型，可以假設光源以 0.94 微米為波長的發(fā)射 NA 為 0.2 的光束。透鏡經過優(yōu)化可在視場上產生準直輸出，以確保光源陣列區(qū)域的點能夠在目標場景中具有合理的尺寸。鑒于閃光激光雷達系統的案例基礎，為了實現緊湊的、可批量生產的設計，選擇小尺寸的塑料材料也至關重要（對應文件提供為 “FlashLidar_Emitter.ZAR”）。
目前，我們可以將每個視場點的發(fā)射都看作為單個二極管的發(fā)射，其光線將被投影到所觀察的場景中。在這個階段，由于光束將在遠場中被觀察到，并且這個系統主要受幾何像差的影響，因此我們可以將基于幾何光線的結果作為觀察場景中的光斑性能的良好指標。然后，幾何圖像分析（Geometric Image Analysis）工具可用于可視化距離照明模塊大約一米遠的光斑情況：
上面的每個幾何圖像分析窗口都顯示了點光源在 55mm x 55mm 的區(qū)域上，從物面到“場景”像面的傳播結果。非零衍射級次將在被觀察場景的中心階周圍向 X 和 Y 方向產生更多的光斑圖案，從而擴展激光雷達系統的視場。
在這個模型中，我們將使用一對交叉的衍射光柵來創(chuàng)建額外的投影。因此，我們將需要計算線性光柵圖案所需的空間頻率，以確保一階衍射投影到的區(qū)域不會與零階衍射的相重疊：
所允許的極小衍射角 θd 是視場水平半視場的兩倍。當 fc = 10mm，物體高度為 0.8mm 時，零階的半視場 θhoriz, 為4.57°，這可以幫助我們確定光柵刻線之間所需的距離 d（以微米為單位）：
由于 OpticStudio 中的原生衍射光柵表面將光柵的空間頻率作為設置參數，因此我們可以使用空間頻率 0.17 刻線/微米 來設置該光柵。我們可以在 OpticStudio 中對這個計算進行驗證，通過在序列模式中添加衍射光柵表面，以查看它是否能夠為不同級次之間提供足夠的距離：
為了檢查投影區(qū)域之間是否存在任何重疊（這可能會導致不同衍射級次之間的光點相互疊加），我們可以結合使用幾何圖像分析工具以及多重結構編輯器進行分析。我們可以定義兩種結構，一種顯示中心階，而另一種顯示沿 X 軸的一階。經過修改的“填充”版 “SQUARE.IMA”（在所有 OpticStudio 的安裝中提供）可用于演示光源有效區(qū)域在遠場中的投影是否有任何潛在的重疊。根據當前的空間頻率定義，我們可以看到有一些重疊存在：
為了解決這個問題，我們可以稍微增加衍射光柵表面的空間頻率，從而增大衍射角。當快速編輯到 0.2 刻線/微米時，可以產生更清晰的分離：
在當前階段，我們將把實例文件保存為 “FlashLidar_Emitter_DiffGrat.ZAR”。雖然這是二極管陣列將涵蓋的整體區(qū)域的輸出，但實際的照明模塊將使用一系列二極管作為點光源，因此照明圖案將成為一系列的點。GIA 檢查的目的是確保當我們在非序列模式中更直接地定義光源時，不同衍射級次之間的光點不會重疊。
為了獲取照明投影中的深度信息，需要一個成像系統對場景進行觀察，并通過計算每個光點的往返飛行時間，將圖像數據轉換為深度數據。根據之前的計算，我們知道中心階的半水平和垂直視場大約是 4.57°。由于衍射元件各級次在該中心階周圍產生投影，這將使成像系統所需的視場在水平和垂直半視場上增加到約 9.14°(即約為中心階半視場值的兩倍)。所以，成像系統所需的半視場在水平和垂直方向上為 13.71°，或在對角線方向上約為 19.39°：
因此，成像模塊需要約為 20°的極小視場。同樣地，由于激光雷達系統的用例，使用具有小尺寸塑料元件進行緊湊型設計至關重要。透鏡如下圖所示，作為示例文件 “FlashLidar_Receiver.ZAR”：
該透鏡的名義設計視場大于 20° (約為30°-36°)，以確保成像系統的優(yōu)化能夠產生物理上可實現的元件。例如，這有助于更好地控制非球面元件的邊緣厚度，并確保元件之間有安裝空隙。此外，透鏡的名義設計具有無限的物面距離，因為其可能需要包含多種工作距離進行使用。
由于這種設計旨在實現緊湊的尺寸，成像系統必須平衡該標準與它對視場相關像差的影響，如畸變和場曲。該設計采用了類似于 Cooke 三片式透鏡的結構，即在兩個低折射率的正透鏡之間有一個高折射率的負透鏡。所有元件上都具有非球面系數，允許通過前一個透鏡校正球差，而第三個透鏡可作為場鏡，以改善畸變和場曲的性能。此外，模型中結尾處還包含一個平板玻璃，該平板玻璃可作為覆蓋接收器模塊圖像傳感器的蓋板。
為了確保成像系統的性能符合我們的需求，我們可以查看 100 lp/mm 時的 FFT MTF 圖：
我們可以在 MTF 中觀察到系統接近衍射極限的光學性能。為了檢查，我們可以通過該系統計算成像到探測器上的光斑尺寸，以檢查圖像質量。我們將轉到序列發(fā)射器模塊，并查看“ 場景像面” 上由點列圖確定的光斑尺寸：
假設觀察到的極小光斑對應從光源陣列發(fā)射出來中心點光源的結果。因此，我們可以將中心視場點的 RMS 半徑設置為 2.089 毫米，并得到探測器上成像的光斑的結果尺寸：
該透鏡成像的光斑空間頻率約為 72 lp/mm，其軸上 MTF 為 72.2%，我們將其作為檢測該光斑成像質量是否充分的對比度參數。
在這篇文章中，我們介紹了閃光激光雷達系統如何運行的背景，并將系統的兩個組成部分通過序列模式系統進行建模。在為激光雷達發(fā)射器的衍射元件進行建模時，我們采用了一階方法，以生成不同的投影級次，并評估和避免光源投影中存在任何潛在的重疊。此外，我們還討論并驗證了成像模塊是否具有我們所需的充足性能。